CN102175537A - 一种热介质胀形试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热介质胀形试验机，主要由底座、安装在底座上的立柱、安装在立柱上的中间横梁、安装在立柱上的上横梁、安装在上横梁上的压边缸、安装在中间横梁与上横梁间的加热炉、安装在底座与中间横梁间的高压介质产生装置、安装在加热炉内的胀形装置、安装在上横梁上的拱高测量装置、安装在高压介质装置出口端的压力测量装置、通过管路与加热炉侧壁连接的防氧化装置、通过管路与高压介质产生装置出口端及顶出杆连接的冷却装置构成，底座、中间横梁、上横梁通过螺栓连接成整体，加热炉通过焊接固定在中间横梁上，冷却隔板通过螺栓固定在压边缸上，顶出杆通过螺栓固定在冷却隔板上，冷却水套通过螺栓固定在中间横梁上。

Description

一种热介质胀形试验机

技术领域

本发明属于液压机械及仪表自动化测量技术领域，特别涉及一种热介质胀形试验机。

背景技术

近年来，轻量化、节能降耗、绿色制造对航空航天及汽车领域提出了更高要求。铝合金、钛合金、镁合金、铝锂合金及复合材料等轻质材料得到了广泛应用，但这些材料在室温下塑性差，应用传统技术难以成形。板材热介质成形技术集热成形与充液成形优点于一身，特别适合于上述轻质材料成形。特点在于流体压力作为重要的工艺参数参与到板材成形中，板材成形极限得到显著提高。适用于板材热介质成形的力学性能测试手段成为制约该技术发展的瓶颈。

高温单向拉伸试验机是模拟板材热环境下单轴应力应变关系广泛采用的试验设备。单向拉伸力学性能具有普遍性，也是目前板材热介质成形所采用的主要测试方法之一，但这是检测设备条件限制所采取的折中方法。采用板材胀形获取应力应变曲线较单向拉伸更适用于板材热介质成形。首先，胀形试验可以获得比单向拉伸试验大的多的均匀应变，原因在于胀形试验中载荷失稳较单向拉伸滞后，且受温度影响小；其次，材料高温单向拉伸应力呈现随应变迅速递减现象，由于高温下颈缩极易产生，因此难以判断应力减小是温度引起的真实材料软化，还是非均匀变形更加严重；最后，胀形试验中板材拱形顶点为双向拉伸应力状态，且流体压力作为第三向应力参与成形，较单向拉伸与板材热介质成形具有工艺相似性。高温双轴拉伸试验机是板材获取应力应变曲线的另一重要试验设备。采用双轴拉伸测试材料力学性能，试样通常为十字形。限于该技术特点，试样两轴间夹角处易产生应力集中，且每轴仍具有单向拉伸提前颈缩的缺点。另外，该技术也没有考虑流体压力的影响。采用高温单向拉伸试验机与高温双轴拉伸试验机获得板材应力应变曲线用于板材热介质成形存在较大误差。

中国发明专利“一种塑胶拉伸应力应变测试方法及装置”(公开号CN 101762682)，提出了采用气体胀形塑胶圆片获得应力应变曲线的方法，并提出了实现该方法的装置，包括压紧***、拉伸***、测量***、温控***和数据处理***。该发明对其他材料测试不具备通用性，且试验手段涉及一种装置，而不是一种功能***化的试验机。

研究者(S.Mahabunphachai，M.Koc.Investigations on forming of aluminum 5052and 6061 sheet alloys at warm temperatures.Materials and Design，2010，31：2422-2434.)设计了胀形获取铝合金板材应力应变曲线的简易装置，由四部分组成：液压或气压***(泵、压力传感器、变送器)，胀形工装(上下模直径均为100mm，圆角半径6.5mm)，加热***(加热管、温度控制器和热电偶)，非接触测量***(激光位移传感器、立体视觉摄像机)。该简易装置胀形模具上下模通过12个螺栓连接。模具加热采用加热管，未设置恒温保护装置，模具与环境存在热交换，板材试验温度难以保证。

发明内容

本发明目的是为了克服上述缺点，提供一种热介质胀形试验机，由高温压力介质使板材胀成拱形，记录拱高和胀形压力，通过数据处理***计算得出应力应变曲线，该试验机注重于整体机械连接形式、部件相对位置关系及***化功能实现，便于准确测试板材应力应变关系。

一种热介质胀形试验机，包括底座、立柱、中间横梁、上横梁、加热炉、压边缸、高压介质产生装置、胀形装置、板材拱高测量装置、压力测量装置、冷却装置、温度检测装置、防氧化装置和数据处理***；

立柱安装在底座上，上横梁固定在立柱的顶端，中间横梁固定在底座和上横梁之间的立柱上；

加热炉包括箱体、加热炉顶盖、保温层、加热单元、隔热垫板、防溅隔板和拱高测量口，箱体固定在中间横梁上，箱体中部形成加热炉的工作腔，加热炉顶盖连接于箱体上方，保温层固定在箱体上，加热单元固定保温层上；防溅隔板位于保温层外侧，位于加热炉的最内侧，固定在加热炉顶盖下表面与中间横梁上表面，将加热单元与工作腔隔开；隔热垫板位于工作腔下端，固定在中间横梁上；拱高测量口位于加热炉顶盖上；

温度检测装置包括温度传感器，温度传感器检测加热炉的工作腔、板材、压力介质及胀形装置的温度；

压边缸安装在上横梁上，压边缸下端连接冷却隔板，冷却隔板连接顶出杆的一端，顶出杆的另一端穿过加热炉顶盖上预留的孔，连接胀形上模；

胀形装置包括胀形上模和高压介质模腔，胀形上模与高压介质模腔位于防溅隔板围成的工作腔内，胀形上模固定在顶出杆上，高压介质模腔固定在隔热垫板上；

冷却装置主要包括冷却隔板、冷却水泵、热量交换单元和冷却水套，冷却水套固定在中间横梁下底面上，冷却水泵的出水口与冷却管路连接，冷却管路分为两路，分别连接冷却隔板和冷却水套，冷却隔板的另一端、冷却水套的另一端分别通过冷却管路与热交换单元连接，热交换单元又与冷却水泵的进水口连接；

高压介质产生装置安装在底座与中间横梁之间，高压介质产生装置的底部通过垫块连接底座，高压介质产生装置出口端穿过冷却隔板和中间横梁的中间孔连接在高压介质模腔上；

板材拱高测量装置包括支架和位移传感器，支架固定在上横梁上，位移传感器固定在支架上，位移传感器实时测量板材拱高并以电信号形式输入给数据处理***；

压力测量装置安装在高压介质产生装置的出口端，包括压力传感器，压力传感器实时检测压力介质的压力并以电信号形式输入给数据处理***；

防氧化装置通过管路与加热炉连接，用于防止加热炉的工作腔内的待测板材氧化；

数据处理***实时获取压力测量装置中压力传感器检测的高压介质产生装置产生的压力介质的压力，实时获取板材拱高测量装置中位移传感器检测的板材的拱高，当测量到的板材拱高与预先设定的理论计算拱高差的绝对值满足设定容差时，记录此时的压力值及拱高，然后，改变理论计算拱高，重复上述过程，最后，数据处理***将得到的一系列压力与拱高，进行计算转换为应力应变曲线。

本发明的优点在于：

(1)试验机采用的热介质胀形工艺，可以获得比单向拉伸试验大很多的均匀应变，应用胀形试验测得的应力应变关系拟合的本构方程具有更好的外插能力；

(2)试验机采用的热介质胀形工艺，板材拱形顶点为双向拉伸应力状态，且流体压力作为第三向应力参与成形，与板材热介质成形具有工艺相似性；

(3)试验机用比例伺服阀控制压边缸锁模与开启，自动化程度高；

(4)试验机加热炉对板材、模具、压力介质进行加热与恒温控制，升温效率高、误差小；

(5)试验机冷却装置对高压介质产生装置出口端、顶出杆进行冷却，屏蔽加热炉对炉外的部件热传导，保护试验机主体；

(6)试验机防氧化装置使待测板材与空气中的氧气隔绝，确保高温下材料真实性能；

(7)试验机高压介质产生装置高压端(出口端)与压力介质模腔连接，高压端与高压介质存储容器相连，低压端采用普通液压油驱动，高压端与低压端不相连，便于高压端与低压端采用不同压力介质；

(8)试验机底座、中间横梁、上横梁通过螺栓连接成整体，压边缸、加热炉、高压介质产生装置固定其上，整体刚度好；

(9)试验机不仅适用于低于400℃的胀形试验，尤其适用于高温(≥750℃)且成形介质为固体粉末的情况。

附图说明

图1为本发明的热介质胀形试验机结构示意图；

图2为本发明的热介质胀形试验机液压原理图；

图3为本发明的方法流程图；

图中：1-底座，2-立柱，3-高压介质产生装置，4-高压腔，5-出口端，6-中间横梁，7-加热炉，8-压力介质，9-胀形上模，10-工作腔，11-防溅隔板，12-顶出杆，13-冷却隔板，14-压边缸，15-上横梁，16-支架，17-位移传感器，18-拱高测量口，19-加热炉顶盖，20-加热单元，21-保温层，22-板材，23-加热炉箱体，24-高压介质模腔，25-隔热垫板，26-冷却水套，27-低压腔，28-活塞，29-垫块，30-板材拱高测量装置，31-温度检测装置，32-压力测量装置，33-驱动油泵，34-冷却水泵，35-热交换单元，36-比例伺服阀，37-低压腔驱动油泵。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种热介质胀形试验机，如图1、图2所示，热介质胀形试验机主要包括底座1、立柱2、中间横梁6、上横梁15、加热炉7、压边缸14、高压介质产生装置3、胀形装置、板材拱高测量装置30、压力测量装置32、冷却装置、温度检测装置31和防氧化装置。

立柱2安装在底座1上，上横梁15固定在立柱2的顶端，中间横梁6固定在底座1和上横梁15之间的立柱2上，本发明中中间横梁6、上横梁15为板状结构，立柱2为四根，底座1、立柱2、中间横梁6、上横梁15通过螺栓连接成整体。

加热炉7通过焊接固定在中间横梁6上，加热炉7包括箱体23、加热炉顶盖19、保温层21、加热单元20、隔热垫板25、防溅隔板11和拱高测量口18，箱体23通过焊接固定在中间横梁6上，箱体23可以围成圆形，中部形成加热炉7的工作腔10，加热炉顶盖19连接在箱体23上面，保温层21通过螺栓固定在箱体23上，保温层21用于屏蔽工作腔10内热量与环境进行热交换，保证板材22胀形温度的准确性，加热单元20通过螺栓固定保温层21上，用于给工作腔10内的胀形上模9、高压介质模腔24、板材22、压力介质8加热，加热单元20可以是加热管、电阻丝、燃料或者热油等。防溅隔板11位于保温层21外侧，位于加热炉7的最内侧，通过焊接固定在加热炉顶盖19下表面与中间横梁6上表面，并将加热单元20与工作腔10隔开，防溅隔板11用于板材22胀破时防止压力介质8喷溅在加热单元20上。隔热垫板25位于工作腔10下端，通过螺栓固定在中间横梁6上，起到隔热的作用。隔热垫板25可以是石棉网、刚玉或者其他耐火材料；拱高测量口18位于加热炉顶盖19上，通过粘接固定在加热炉顶盖19上，拱高测量口18可以是方便激光位移传感器测试的透明玻璃或是透明石英板，也可以是方便机械式位移传感器测试的带孔隔板，加热炉7使工作腔10温度升高并保证待测板材22稳定在某一设定的温度上。

如图2所示，温度检测装置31包括温度传感器、螺钉和支座，支座通过螺栓固定在加热炉7上，温度传感器通过螺钉固定在支座上。温度检测装置31有4套，分别用于检测加热炉7的工作腔10、板材22、压力介质8及胀形装置的温度。温度传感器可以是接触式，也可以是非接触式的。

压边缸14安装在上横梁15上。压边缸14下端连接冷却隔板13，冷却隔板13通过螺栓连接顶出杆12的一端，顶出杆12的另一端穿过加热炉顶盖19上预留的孔，通过螺栓连接胀形上模9，压边缸14通过冷却隔板13带动顶出杆12上下移动，对胀形上模9进行锁模与开启。本发明中使用驱动油泵33、比例伺服阀控制压边缸14的移动。

胀形装置安装在加热炉7的工作腔10内，胀形装置包括胀形上模9和高压介质模腔24，胀形上模9与高压介质模腔24位于防溅隔板11围成的工作腔10内，胀形上模9通过螺栓固定在顶出杆12上，高压介质模腔24通过螺栓固定在隔热垫板25上，胀形上模9用于将板材22压在高压介质模腔24上并保证板材22的胀形形状，板材22可以是金属、复合材料、高分子材料。顶出杆12的数量可以是2根、3根、4根、6根和8根。板材22的胀形形状由胀形上模9预留的中心孔形状确定，胀形上模9预留中心孔可以是圆形、椭圆形或者十字形。

冷却装置主要包括冷却隔板13、冷却水泵34、热量交换单元35和冷却水套26，冷却水套26通过螺栓固定在中间横梁6下底面上，冷却水泵34的出水口通过螺栓与冷却管路连接，冷却管路分为两路，分别连接冷却隔板13和冷却水套26，冷却隔板13的另一端、冷却水套26的另一端分别通过冷却管路与热交换单元35连接，热交换单元35又与冷却水泵34的进水口通过螺栓连接。所述的冷却管路可以是塑料管、PVC管、金属管或者橡胶管。

冷却装置的水循环环路有2路，1路为冷却水泵34出水口-冷却隔板13-热交换单元35-冷却水泵34进水口；另一路为冷却水泵34出水口-冷却水套26-热交换单元35-冷却水泵34进水口；冷却装置用于冷却深入到加热炉7工作腔10的顶出杆12和高压介质产生装置3的出口端5，防止加热炉7内热量传递到试验机主体上。所述的热量交换单元35可以是水箱、水池，冷却塔、风机、油冷机或者空调。

高压介质产生装置3安装在底座1与中间横梁6之间，高压介质产生装置3的底部通过垫块29连接底座1，垫块29用于支撑与固定高压压力产生装置3，高压介质产生装置3包括低压腔27、高压腔4、活塞杆和活塞28，活塞28位于低压腔27中，压力介质8位于高压腔4内，低压腔驱动油泵37用于驱动低压腔27内活塞28上下移动，活塞杆通过螺栓与活塞28连接。高压介质产生装置3出口端5穿过冷却水套26和中间横梁6的中间孔通过螺栓连接在高压介质模腔24上，高压介质产生装置3用于将压力介质8打压至设定压力，并且通过高压介质模腔24作用至板材22上。高压介质产生装置3可以是增压器、倍加器、放大器、手动泵、电动泵、普通油缸、伺服油缸、普通气缸、伺服气缸、数字油缸或数字气缸。压力介质8可以是氮气、惰性气体、油、低熔点金属、高分子材料、细沙或陶瓷颗粒。

板材拱高测量装置30安装在上横梁15上，主要包括支架16、位移传感器17和螺钉，支架16通过焊接固定在上横梁15上，位移传感器17通过螺钉固定在支架16上，位移传感器17实时测量板材22拱高并以电信号形式输入给数据处理***。位移传感器17可以是弹簧复位机械式位移传感器或是非接触激光位移传感器。

压力测量装置32安装在高压介质产生装置3的出口端5，主要包括高压管路、压力传感器和接头，高压管路由接头通过螺纹连接在高压介质产生装置3出口端5，高压管路再连接压力传感器，压力传感器实时检测压力介质8的压力并以电信号形式输入给数据处理***。

防氧化装置通过管路与加热炉7连接，用于防止加热炉7的工作腔10内的待测板材22氧化而使材料性能发生变化，以确保材料性能真实性。防氧化装置可以是气体保护形式，保护气体可以是氮气或者惰性气体；防氧化装置也可以是真空保护形式。

试验机还包括数据处理***，数据处理***实时获取压力测量装置32中压力传感器检测的高压介质产生装置3产生的压力介质8的压力，实时获取板材拱高测量装置30中位移传感器17检测的板材22的拱高，当测量到的板材22拱高与预先设定的理论计算拱高差的绝对值满足设定容差时，记录此时的压力值及拱高，然后，改变理论计算拱高，重复上述过程，最后，数据处理***将得到的一系列压力与拱高，进行计算并转换为应力应变曲线。

本发明的一种应用所述热介质胀形试验机的板材应力应变测试方法，流程如图3所示，包括以下几个步骤：

(1)放置被测板材22，普通液压油驱动压边缸14，对待测板材22进行压边锁模，防止胀形过程中板材22走料。

(2)开启冷却水泵34进行冷却；

(3)然后开启加热炉7开关；

(4)将温度调节到设定值T₁，稳定一段时间升温至设定温度T₁，确保板材22、胀形装置温度均匀。

(5)普通液压油驱动高压介质产生装置3输出压力介质8，使板材开始胀形；。

(6)设定测试所需应变率e₁

(7)在时间步t₁，实时监测的拱高为h₁，理论计算拱高为h_a，，由数据处理***将h_a与h₁进行比较，当h₁＜h_a时，说明实际拱高小于理论值，增大高压介质产生装置3高压端4压力p₁，则板材22继续胀高；

(8)当|h₁-h_b|小于设定容差时，认为实际拱高等于理论值，记录此时拱高h₁及压力值p₁；

(9)当h₁＞h_a时，说明实际拱高已超过理论值，则计算时间步t₂的拱高理论值h_b，此时实时监测的拱高为h₂，当h₂＜h_b时，说明实际拱高小于理论值，增大高压介质产生装置3高压端4压力p₂，则板材22继续胀高；

(10)当|h₂-h_b|小于设定容差时，认为实际拱高h₂等于理论值h_b，记录此时拱高h₂及压力值p₂；

(11)重复(7)-(10)，进入胀破前时间步t_n，实时监测的拱高为h_n，理论计算拱高为h_m，，由数据处理***将h_n与h_m进行比较，当h_n＜h_m时，说明实际拱高小于理论值，增大高压介质产生装置3高压端4压力p_n，则板材22继续胀高，记录此时拱高h_n及压力值p_n；

(10)这样可以获得应变率e₁下的拱高h₁-h_n与胀形压力p₁-p_n，将记录的板材拱高与胀形压力由数据处理***进行计算转换得到应力应变曲线，通过监控界面保存数据并以图形形式输出曲线；

(11)通过改变(4)中的设定温度与(6)中设定应变率值，重复步骤(7)-(11)，可以得到不同温度及不同应变速率下的应力应变曲线；

(12)板材胀形过程中，当记录的下一时间步与上一时间压差为负时，表明板材胀破，发出控制信号使高压介质产生装置18停机并泄压，以确保试验安全。

(13)关闭加热炉7，关闭水泵34，试验结束。

Claims (9)

1.一种热介质胀形试验机，其特征在于，包括底座、立柱、中间横梁、上横梁、加热炉、压边缸、高压介质产生装置、胀形装置、板材拱高测量装置、压力测量装置、冷却装置、温度检测装置、防氧化装置和数据处理***；

立柱安装在底座上，上横梁固定在立柱的顶端，中间横梁固定在底座和上横梁之间的立柱上；

加热炉包括箱体、加热炉顶盖、保温层、加热单元、隔热垫板、防溅隔板和拱高测量口，箱体固定在中间横梁上，箱体中部形成加热炉的工作腔，加热炉顶盖连接于箱体上方，保温层固定在箱体上，加热单元固定保温层上；防溅隔板位于保温层外侧，位于加热炉的最内侧，固定在加热炉顶盖下表面与中间横梁上表面，将加热单元与工作腔隔开；隔热垫板位于工作腔下端，固定在中间横梁上；拱高测量口位于加热炉顶盖上；

温度检测装置包括温度传感器，温度传感器检测加热炉的工作腔、板材、压力介质及胀形装置的温度；

压边缸安装在上横梁上，压边缸下端连接冷却隔板，冷却隔板连接顶出杆的一端，顶出杆的另一端穿过加热炉顶盖上预留的孔，连接胀形上模；

胀形装置包括胀形上模和高压介质模腔，胀形上模与高压介质模腔位于防溅隔板围成的工作腔内，胀形上模固定在顶出杆上，高压介质模腔固定在隔热垫板上；

冷却装置主要包括冷却隔板、冷却水泵、热量交换单元和冷却水套，冷却水套固定在中间横梁下底面上，冷却水泵的出水口与冷却管路连接，冷却管路分为两路，分别连接冷却隔板和冷却水套，冷却隔板的另一端、冷却水套的另一端分别通过冷却管路与热交换单元连接，热交换单元又与冷却水泵的进水口连接；

高压介质产生装置安装在底座与中间横梁之间，高压介质产生装置的底部通过垫块连接底座，高压介质产生装置出口端穿过冷却隔板和中间横梁的中间孔连接在高压介质模腔上；

板材拱高测量装置包括支架和位移传感器，支架固定在上横梁上，位移传感器固定在支架上，位移传感器实时测量板材拱高并以电信号形式输入给数据处理***；

压力测量装置安装在高压介质产生装置的出口端，包括压力传感器，压力传感器实时检测压力介质的压力并以电信号形式输入给数据处理***；

防氧化装置通过管路与加热炉连接，用于防止加热炉的工作腔内的待测板材氧化；

数据处理***实时获取压力测量装置中压力传感器检测的高压介质产生装置产生的压力介质的压力，实时获取板材拱高测量装置中位移传感器检测的板材的拱高，当测量到的板材拱高与预先设定的理论计算拱高差的绝对值满足设定容差时，记录此时的压力值及拱高，然后，改变理论计算拱高，重复上述过程，最后，数据处理***将得到的一系列压力与拱高，进行计算转换为应力应变曲线。

2.根据权利要求1所述的一种热介质胀形试验机，其特征在于，所述的底座、立柱、中间横梁、上横梁通过螺栓连接成整体。

3.根据权利要求1所述的一种热介质胀形试验机，其特征在于，所述的温度检测装置包括温度传感器、螺钉和支座，支座通过螺栓固定在加热炉上，温度传感器通过螺钉固定在支座上。

4.根据权利要求1所述的一种热介质胀形试验机，其特征在于，所述的温度检测装置有4套，分别用于检测加热炉的工作腔、板材、压力介质及胀形装置的温度。

5.根据权利要求1所述的一种热介质胀形试验机，其特征在于，所述的防氧化装置为气体保护形式或者真空保护形式，气体保护形式时，保护气体为氮气或者惰性气体。

6.根据权利要求1所述的一种热介质胀形试验机，其特征在于，所述的压力测量装置包括高压管路、压力传感器和接头，高压管路由接头通过螺纹连接在高压介质产生装置出口端，高压管路再连接压力传感器。

7.根据权利要求1所述的一种热介质胀形试验机，其特征在于，所述的顶出杆的数量是2根、3根、4根、6根或者8根。

8.根据权利要求1所述的一种热介质胀形试验机，其特征在于，所述的板材的胀形形状由胀形上模预留的中心孔形状确定，胀形上模预留中心孔是圆形、椭圆形或者十字形。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的一种热介质胀形试验机，其特征在于，所述的加热单元是加热管、电阻丝、燃料或者热油；隔热垫板是石棉网或刚玉；拱高测量口为透明玻璃、透明石英板或带孔隔板；板材是金属、复合材料或者高分子材料；冷却管路是塑料管、PVC管、金属管或者橡胶管；热量交换单元是水箱、水池，冷却塔、风机、油冷机或者空调；高压介质产生装置是增压器、倍加器、放大器、手动泵、电动泵、普通油缸、伺服油缸、普通气缸、伺服气缸、数字油缸或数字气缸；温度传感器是接触式或者非接触式；压力介质是氮气、惰性气体、油、低熔点金属、高分子材料、细沙或陶瓷颗粒；位移传感器是弹簧复位机械式位移传感器或是非接触激光位移传感器。

Images